理論和實踐一體化的雷達氣象學課程教學探索

高士博，殷紅，喬延艷

（沈陽農業大學 農學院，遼寧沈陽 110866）

氣象雷達自投入使用氣象業務以來，在中尺度天氣系統的探測和預報方面起到了重要的作用，因而成為中尺度降水系統監測和預報的有效工具。雷達氣象學是隨著氣象雷達的發展和廣泛應用而形成的一門氣象學分支[1]。早在20世紀40年代，雷達就被用于探測和研究氣象目標，雷達氣象學課程應運而生[2-3]。作為大氣科學類專業的一門專業基礎課，該課程的主要內容包括氣象雷達基本原理、探測方法以及資料的分析應用，目的是培養學生從事雷達氣象等相關研究和實際天氣預報工作的基本能力。對于未來從事雷達氣象相關科學研究或者實際天氣預報業務工作的學生而言，雷達氣象學是一門非常重要的課程。然而，根據該課程在沈陽農業大學大氣科學和應用氣象專業的教學調研發現，很多學生反映該課程理論知識學習難度大，內容復雜枯燥，很難在實踐中有效運用理論知識，教學效果欠佳。因此，為滿足沈陽農業大學培養復合型人才的需求，非常有必要對該課程教學模式進行改革，以適應當前高校推進素質教育的要求。

1 理論和實踐一體化教學模式

理論和實踐一體化教學模式是將理論知識和實踐有機結合為一體的教學模式，是從德國的“雙元制”職業教育模式轉化而來，通過設定某個教學目標或教學任務，由教師通過講解理論知識和指導實踐操作，強調以學生為中心，學生邊實踐邊學習[4-6]。該教學模式突出學生在教學活動中的主體地位，以提升學生解決問題的能力[7-9]，并且將教師講授、示范和學生實踐融為一體，更加直觀生動地向學生展示教學內容，讓學生在實踐中進一步理解、消化和吸收專業理論知識。目前，該教學模式已經逐步在高校和科研機構中應用[10-13]。因此，深入探索一體化教學模式在雷達氣象學課程中的應用，對提高課程教學質量和培養行業需要的人才具有重要意義。

2 雷達氣象學課程傳統教學模式存在的問題

從課程內容來看，雷達氣象學具有理論與實踐并重的特征，除了要求學生掌握氣象雷達工作原理、超短波在大氣中折射和雷達氣象方程等理論知識外，還要求學生能夠使用雷達回波和徑向風資料分析各種天氣系統的結構及發生、發展和演變機制。在該課程的實際教學中，學生普遍反映存在如下問題。

（1）課程理論性強，內容抽象難懂。不同于氣象類其他專業類課程，雷達氣象學課程教學內容的很多理論知識涉及公式推導，且融合了大氣探測學、大氣物理學和天氣學原理等交叉的內容，這對于專業基礎薄弱的學生來說具有一定的學習難度。特別是課程第二章至第五章，內容知識點多，涉及的知識抽象難懂，學生普遍反映學習難度較大。部分學生為了通過考試著重記知識點，對教師講授的內容缺乏深入理解，不注重思考和質疑，導致對理論知識一知半解。

（2）理論課和實踐課未有效銜接。傳統教學模式多以理論教學為主，實踐課程較少，并且理論課和實踐課是分開進行授課的，實踐與理論教學未有效結合，課后缺乏實踐機會，忽略了學生主動性和探究性能力的培養。例如，課程第八章第二節“雷達探測冰雹”，學生已經學完了冰雹天氣預報知識、冰雹和冰雹云的基本特征、冰雹云和冰雹形成機理等基本理論知識，但是在實踐過程中還是難以用理論知識解釋雷達回波圖中所呈現的現象。

（3）教學內容更新慢。隨著我國新一代多普勒天氣雷達網的逐漸建立，如激光雷達、雙線偏振雷達、毫米波雷達和相控陣雷達等，新一代雷達效應日益凸顯。但是，目前沈陽農業大學雷達氣象學課程的教學還沒有跟上現代化雷達氣象發展的步伐。此外，教材中使用的典型天氣的案例老舊，沒有結合最新發生的災害性天氣過程進行分析，難以提高學生主動學習的興趣，難以激發學生的求知欲，導致學生就業時發現自己的知識儲備不足，難以對各種天氣類型的雷達回波進行分析。

（4）課程考核體系單一。傳統雷達氣象學課程的考核方式主要是期末閉卷考試。這種方式雖然能夠考查學生的基礎理論知識，但強調記憶性學習，考查時間過于集中，忽略了過程性學習，難以考查學生的實踐和操作能力。單一化的考核方式以考試結果為最終目的，忽略了過程性考核。

3 雷達氣象學課程一體化教學模式的改革措施

3.1 優化一體化教學內容設計

參考國內外教學教材，根據課程內容的重點和難點，課程組認真研究了雷達氣象學的現狀和發展趨勢，對核心教學內容進行了優化設計。課程組收集各高校的教學成果并整合到教學內容中，使學生能夠了解雷達氣象學最新的研究進展。理論部分增加了目前較為先進的雙線偏振雷達、相控陣雷達、云雷達和風廓線雷達等新型雷達的基本工作原理、相應的技術發展和應用等知識。實踐部分建立了近5年典型災害性天氣個例數據集。此外，課程組還鼓勵學生收集整理典型的強對流天氣過程案例，組織相關競賽活動，評選出優質案例以豐富數據庫，激發學生的學習積極性。

此外，針對理論和實踐相脫節的問題，根據教學內容的重難點增加了實踐教學模塊，主要為雷達探測系統模塊、衰減模塊、折射模塊和預報模塊等。例如，在雷達探測系統模塊中設計雷達功能、硬件和工作原理等主要參數；雷達衰減模塊設計了雷達衰減訂正技術；雷達預報模塊中增加了業務中常用的雷達質量控制技術、雷達回波的識別、冰雹云的雷達探測、暴雨的探測、臺風的探測、颮線的探測等實踐內容。

3.2 豐富一體化教學實施方式

通過多種渠道與氣象預報業務和科研單位積極溝通，根據教學內容匹配一體化教學實施方式，主要包括參觀氣象局、軟件模擬和天氣會商三種方式。

（1）參觀氣象局。雷達探測分析、典型天氣系統的回波和徑向速度分析等內容屬于這一類。例如，在對雷達工作原理進行講授時，教師可組織學生去氣象臺雷達站參觀雷達機房，近距離了解雷達站的建設歷史、天氣雷達定期維護和定標的方法，以及值班員的日常工作等，進而掌握雷達的工作原理和操作規范等。此外，在對典型天氣的雷達回波和徑向速度分析、重要降水天氣系統的雷達探測分析等內容進行講授時，可以通過參觀氣象局使學生了解氣象雷達在天氣預報預警中的實際應用以及如何識別雷達圖等知識。

（2）軟件模擬。對于大氣衰減和折射理論，教師可利用虛擬仿真軟件模擬進行講授。例如，對于降水粒子對雷達電磁波的散射、電磁波的衰減、大氣折射等理論知識，單一板書和語言講解比較晦澀難懂，利用軟件模擬可以將抽象難懂的大氣過程直觀表現出來。此外，由于雷達觀測的變量有限，而徑向風變量無法完全體現三維大氣的運動，很難利用天氣學理論解釋回波特征，可以通過數值模擬氣象要素場，使學生加深對雷達回波形成機制的理解。

（3）天氣會商。雷達氣象學課程的最終目的是服務天氣預報，利用沈陽農業大學天氣會商室，定期組織學生聽取天氣會商。會商過程中，各地氣象臺工作人員根據各類氣象數據對未來天氣狀況進行分析和預報。組織學生聆聽氣象預報員對雷達圖、天氣圖和降水量實況圖等各類氣象資料的分析對比，有助于學生將教材中的理論知識和未來實際業務有機結合，進一步了解氣象雷達在天氣預報預警中的實際應用。

3.3 構建一體化教學體系

將信息技術與課程教學深度融合，構建理論和實踐一體化教學體系。依托學校的“易爾思”教學平臺建立線上教學資源，教師可在課前將每章的教學課件、微課、慕課等各類教學資源發布到教學平臺上。在線下課堂中，教師利用啟發式、探究式、互動式和討論式等多種教學方法活躍課堂氛圍，開闊學生思路，激發學生潛能；選取典型天氣過程的雷達回波，并使用中央氣象臺實時雷達圖進行案例式教學，使學生加深對教材知識內容的理解。課后教師通過平臺給學生發送習題和復習任務，要求學生在規定時間內完成作業，教師可以實時查看學生的作業完成情況，學生還可以利用碎片化時間通過復習來鞏固所學知識。

3.4 改革一體化教學考核方法

傳統的雷達氣象學課程一般采用期末考試和作業相結合的考核方法，隨著一體化教學模式的深入實施，教師應著重考查和培養學生的綜合能力?？己四Ｊ綉C合考慮理論和實踐兩方面，總成績由平時考核成績、實驗成績和期末考試成績三部分構成，在總成績中的占比分別為20%、20%和60%。平時考核成績由課堂表現和課堂測試兩部分組成，其中課堂表現包括課堂考勤率、課堂參與度、學習態度和學習討論等方面，課堂測試是由教師根據主要知識點進行隨堂測試，要求學生當堂完成提交。期末考核成績為期末試卷成績，采取閉卷考試形式。實踐成績是指學生的實踐參與度、正確率和實踐報告完成情況等。一體化考核方式的考核項目明顯增多，不僅涵蓋了對學生理論知識掌握程度的考核，而且納入了對學生實際應用能力的評價。教師對上述各項評分細化至不同等級，根據各項等級再進行總體評價，給出最后得分。該評價方式綜合考慮了學生對理論知識的掌握程度和實踐操作能力，全方位評定學生的綜合素質。

經過教學實踐發現：相比于傳統的教學模式，一體化的教學模式能夠顯著提高學生的學習積極性，增強教師與學生之間的互動，營造良好的學習氛圍，教學質量有較大提高。